專(zhuān)利名稱：氮化鎵基圓盤(pán)式單色光源列陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光光源，具體是指基于氮化鎵發(fā)光材料、由光子晶體微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成的氮化鎵基圓盤(pán)式單色光源列陣。
背景技術(shù)：
GaN半導(dǎo)體材料具有在高頻、高溫條件下發(fā)射藍(lán)光的獨(dú)特性能，是繼Si和GaAs之后的新一代半導(dǎo)體材料。由GaN、InN和AlN所組成的合金InGaN、AlGaN等GaN基半導(dǎo)體材料，通過(guò)調(diào)整組分可以獲得從1.9eV到6.2eV連續(xù)可調(diào)的帶隙，覆蓋從紫外光到可見(jiàn)光很寬范圍的波段。這些GaN基半導(dǎo)體材料的內(nèi)、外量子效率高，具備高發(fā)光效率、高熱導(dǎo)率、耐高溫、抗輻射、耐酸堿、高強(qiáng)度和高硬度等優(yōu)點(diǎn)，可制成高效的藍(lán)、綠、紫、白色發(fā)光二極管和激光二極管，而成為目前世界上最先進(jìn)的半導(dǎo)體材料之一。
隨著技術(shù)的突破及亮度的提升，目前二極管應(yīng)用產(chǎn)品已經(jīng)從簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)或家電的電源指示燈、音響面板的背光源，發(fā)展到手機(jī)按鍵、彩色手機(jī)屏幕背光源，以及汽車(chē)剎車(chē)燈、尾燈、室內(nèi)燈、大型看板、交通信號(hào)燈、建筑物戶外造景燈等，且很可能逐漸取代目前照明用的日光燈，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
雖然二極管所發(fā)出光的譜線寬度比其它光源的都窄，但不是單色光，寬度一般有幾十個(gè)納米，還是不能滿足微小型光譜儀等在集成單色光源方面的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足一些特殊結(jié)構(gòu)、特殊場(chǎng)合在集成單色光源方面的應(yīng)用需求，本發(fā)明的目的是提出一種由光子晶體微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成的氮化鎵基圓盤(pán)式單色光源列陣。
本發(fā)明的圓盤(pán)式單色光源列陣包括襯底1，在襯底上置有與襯底牢固結(jié)合的光子晶體微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
所說(shuō)的光子晶體微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是由在背景介質(zhì)材料上通過(guò)刻蝕的方法形成一系列周期性排列并含有特定缺陷的圓柱形空氣柱構(gòu)成的。其中微腔由圓盤(pán)中心去掉依次排列的1～5根空氣柱形成的缺陷區(qū)域構(gòu)成；波導(dǎo)由與微腔耦合的一系列線缺陷構(gòu)成。
所說(shuō)的線缺陷是在微腔周?chē)耐暾芷诮Y(jié)構(gòu)的空氣柱基礎(chǔ)上，通過(guò)改變相應(yīng)行或列中的空氣柱直徑或者去掉一行或一列空氣柱形成的。
所說(shuō)的背景介質(zhì)材料由通過(guò)分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法依次排列生長(zhǎng)的n-GaN下電極層、InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)或AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)光層和p-GaN上電極層組成。
所說(shuō)的空氣柱的深度為下電極層、發(fā)光層與上電極層的總厚度。
本發(fā)明的介質(zhì)層材料作為發(fā)光光源發(fā)出寬度為幾十個(gè)納米某個(gè)波段的光，而各個(gè)不同線缺陷模的波導(dǎo)則分別從微腔中耦合出不同波長(zhǎng)的單色光，并從圓盤(pán)的不同位置發(fā)出。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.利用光子晶體光波導(dǎo)可以近乎無(wú)損地從微腔中耦合出單色性很好的單色光，甚至可以近乎無(wú)損地實(shí)現(xiàn)直角拐彎；2.圓盤(pán)式的單色光源列陣充分利用了各個(gè)方向，結(jié)構(gòu)非常緊湊，在全光網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場(chǎng)合可以使空間得到充分利用。


圖1為本發(fā)明的圓盤(pán)式單色光源列陣結(jié)構(gòu)示意圖(a)為剖面結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為俯視圖，(c)圖為(b)圖中的光子晶體微腔放大圖。
圖2為本實(shí)施例的發(fā)光層的發(fā)光光譜圖。
圖3為本實(shí)施例從各波導(dǎo)中獲得的單色光譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的單色光源列陣首先通過(guò)分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在寶石或碳化硅襯底1上依次排列生長(zhǎng)n-GaN下電極層2、InxGa1-xN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光層3和p-GaN上電極層4，形成背景介質(zhì)材料。其中通過(guò)調(diào)節(jié)In的組分可獲得不同波段的發(fā)光譜，發(fā)光峰位可由下式確定(忽略壓電效應(yīng))Eg(x)＝EgGaN×(1-x)+EgInN×x-b×x×(1-x)，(1)其中x為In的組分，EgGaN為GaN的帶隙，室溫下為3.44eV，EgInN為InN的帶隙，室溫下為1.89eV，b為彎曲系數(shù)，可取3.5。實(shí)施例中發(fā)光層的發(fā)光譜如圖2所示，x為0.3，中心波長(zhǎng)為525nm。
然后采用2003年文獻(xiàn)“Y.Akahane，T.Asano，B.-S.Song & S.Noda Nature425，944-947(2003)”報(bào)導(dǎo)的最佳結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)二維光子晶體微腔，其具體結(jié)構(gòu)為空氣柱在背景介質(zhì)材料中呈三角格子的周期性分布，去掉圓盤(pán)中心連續(xù)3根空氣柱以形成光學(xué)微腔，并將微腔長(zhǎng)度方向兩端的2根空氣柱分別往兩邊移動(dòng)0.15a的距離，目的是進(jìn)一步顯著提高微腔的品質(zhì)因子，a為晶格常數(shù)，空氣柱的半徑R＝0.29a，如圖1(c)所示，具體原理見(jiàn)該文獻(xiàn)。本發(fā)明根據(jù)上述文獻(xiàn)將下電極層、發(fā)光層和上電極層等效為均勻的背景介質(zhì)材料，然后采用傳輸矩陣(TMM)或有限時(shí)域差分(FDTD)等常用的光子晶體計(jì)算方法，使其光子帶隙的中心波長(zhǎng)為525nm，計(jì)算出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)a為0.28μm，空氣柱的半徑R為0.29a＝0.08μm。
再在微腔四周設(shè)計(jì)出一系列線缺陷光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光波導(dǎo)的缺陷模波長(zhǎng)與線缺陷中空氣柱的直徑相關(guān)，直徑或折射率越大則相應(yīng)光波導(dǎo)的缺陷模波長(zhǎng)越長(zhǎng)(或頻率越低)ω＝2πc/λ＝2πcn/(nxL) (2)其中，ω為缺陷模頻率，c為光速，n為完整周期介電材料的折射率，nx和L分別為缺陷行空氣柱的折射率和直徑。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)的光子晶體微腔和線缺陷光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)好的背景介質(zhì)材料上制作如圖1(b)所示的掩模圖，采用電子束光刻方法形成圓盤(pán)式單色光源列陣的基本結(jié)構(gòu)。
最后在上、下電極層上分別引出電極，只要通電，就可以在圓盤(pán)的不同位置獲得不同波長(zhǎng)的單色性很好的光，完成圓盤(pán)式單色光源列陣的制備。
權(quán)利要求
1.一種氮化鎵基圓盤(pán)式單色光源列陣，包括襯底(1)，其特征在于在襯底上置有與襯底牢固結(jié)合的光子晶體微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；所說(shuō)的光子晶體微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是由在背景介質(zhì)材料上通過(guò)刻蝕的方法形成一系列周期性排列并含有特定缺陷的圓柱形空氣柱(5)構(gòu)成的；其中微腔由圓盤(pán)中心去掉依次排列的1～5根空氣柱形成的缺陷區(qū)域構(gòu)成；波導(dǎo)由與微腔耦合的一系列線缺陷構(gòu)成；所說(shuō)的線缺陷是在微腔周?chē)耐暾芷诮Y(jié)構(gòu)的空氣柱基礎(chǔ)上，通過(guò)改變相應(yīng)行或列中的空氣柱(5)直徑或者去掉一行或一列空氣柱形成的；所說(shuō)的背景介質(zhì)材料由通過(guò)分子束外延或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法依次排列生長(zhǎng)的n-GaN下電極層(2)、InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)或AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)光層(3)和p-GaN上電極層組成(4)；所說(shuō)的空氣柱(5)的深度為下電極層、發(fā)光層與上電極層的總厚度。
全文摘要
本發(fā)明的氮化鎵基圓盤(pán)式單色光源列陣包括襯底，在襯底上置有與襯底牢固結(jié)合的光子晶體微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。光子晶體微腔和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是由在背景介質(zhì)材料上通過(guò)刻蝕的方法形成一系列周期性排列并含有特定缺陷的圓柱形空氣柱構(gòu)成的。背景介質(zhì)材料由依次排列生長(zhǎng)的n－GaN下電極層、InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)或AlGaN/InGaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)光層和p－GaN上電極層組成。氮化鎵作為光源發(fā)出寬度為幾十納米的某個(gè)波段的光，而含有不同線缺陷的光子晶體波導(dǎo)則可以近乎無(wú)損地把這個(gè)波段內(nèi)的單色光分別耦合到圓盤(pán)四周，形成圓盤(pán)式的單色光源列陣。利用這種結(jié)構(gòu)可以近乎無(wú)損地從微腔中耦合出單色性很好的單色光，甚至可以實(shí)現(xiàn)直角拐彎，形成一種結(jié)構(gòu)緊湊的單色光源列陣。
文檔編號(hào)H01L27/15GK1874016SQ200610028490
公開(kāi)日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者陸衛(wèi), 王少偉, 夏長(zhǎng)生, 李志鋒, 張波, 李寧, 陳效雙, 陳明法 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所, 上海藍(lán)寶光電材料有限公司